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《最后的观星人》
铛铛铃2025-09-14【科普】1人已围观
简介
今天为你解读的书是《最后的观星人》，副标题是“天文探险家的不朽故事”。
不论是观星人还是天文探险家，其实指的都是天文学家。本书主要讲的就是天文学家们的故事。而书名中为什么要用“最后的”这样一个修饰语，作者并没有给出解释。不过我会在介绍完书中内容之后，尝试着给出一个解读。
本书作者艾米丽·莱维斯是一名正儿八经的天文学家，而且还取得了不小的学术成就。她是美国华盛顿大学天文学教授，主要研究的是大质量恒星，获得过安妮·坎农天文奖、科特雷尔学者奖等业内知名度很高的奖项。她的这本《最后的观星人》是带有一定自传性质的科普书，作者通过自身经历，向读者描述天文学家是如何工作的，特别是怎样利用大型望远镜等设备来进行天文观测的。
本书一经出版，不仅受到读者的喜欢，成为2020年美国亚马逊年度最佳选书，还得到了业内人士的褒奖。英国天文学家约瑟琳·伯奈尔就说，这本书精彩到让人忍不住一口气读完。
我将从作者的故事中，凝炼出三方面内容进行解读，分别是天文学家是怎样的一群人，他们如何进行天文观测，以及他们要面对哪些困难。
好，就让我们跟随作者，开启这场天文观星之旅吧。
首先第一个话题，我们要聊的是天文学家是怎样的一群人。我们就以艾米丽本人为例，来看一看一名天文学家究竟是如何成长、如何工作的。
对于出生于20世纪80年代的艾米丽来说，她之所以要当天文学家，是因为受到了家人的影响。1980年，美国著名天文学家卡尔·萨根推出了关于宇宙的科普纪录片，受到了世界各地观众的喜欢。正是在萨根这部作品的影响下，艾米莉的父母对天文学产生了浓厚兴趣。她爸爸攒钱买了一台家用望远镜，作为图书管理员的妈妈更是囤了很多萨根的科普书。按艾米丽自己的话说，在她出生的时候，天文学已经成了日常生活的一部分。
真正让艾米丽对天文学产生迷恋的，则是1986年的一次重要天文奇观——哈雷彗星的出现在地球上。哈雷彗星每76年能被观测到一次，对于很多人来说，这是一生一次的机会。所以当年哈雷彗星再次回归时，引发了一场全民观星热潮，艾米丽一家也不例外。那时艾米丽还不到两岁，就跟着家人一起去户外观察哈雷彗星。小小年纪的艾米丽，立刻被望远镜中的星空深深迷住了。从那以后，她对天文学一往情深。
这里要插一句题外话，虽然成为天文学家的理由多种多样，但如果我们把视野放大，会发现个人职业的选择其实和时代发展密切相关。20世纪中后期，人类对航天有着无比高涨的热情，从美国登月到火星探测，可以说这一时期是人类探索太空的一个高峰，全民对太空和宇宙等话题讨论度很高。再有卡尔·萨根等科普教育家的成功，掀起了一大波天文热潮，培养了很多人对天文的热爱。
当然，天资聪慧的艾米丽并没有辜负自己的梦想。她先是考上了著名的麻省理工学院，学习物理。读完本科后，她又去夏威夷大学天文学专业攻读博士学位。夏威夷大学虽然名气不大，但它的天文专业却是世界顶尖水平。它临近举世闻名的莫纳克亚天文台，这座天文台坐落在夏威夷的莫纳克亚山上，地理位置优越，每年有300多个晴朗夜晚，是地球上最适合天文观测的地点之一。美、法、日等国在这里建了十几个大型天文设备，而这其中有两台大型望远镜，就直接归属于夏威夷大学。
在完成了学业之后，艾米丽就正式成为了天文学家队伍中的一员。
那么，天文学家的日常工作究竟是怎样的呢？
在很多人的印象里，一提到天文学家这个词，脑海中浮现出的可能是这样的形象：他们对满天的星星了如指掌，对各种天文现象如数家珍。他们可能有些面色苍白，因为常年熬夜，所以顶着黑眼圈，总是守在一个巨大的望远镜旁边，周边的纸张或是屏幕上满是各种星体的运行轨迹。这个印象呢，其实有对有错。
首先，作者诚恳地指出，天文学家并不是星空的百科全书。经常有人指着天上的星星问艾米丽那是什么，而此刻她只能尴尬地说：“不知道”，或者大体猜测一下还不一定准确。这就好像学计算机专业的不一定会修电脑，土木工程的毕业生也不一定会盖房子。除非经过专门的训练，其实大多数天文学家只能认出几个星座，仅此而已。
再有，天文学家们并不是每晚都要守在天文望远镜旁边。事实恰恰相反，他们一年到头也没有几次使用天文望远镜的机会。建造一座天文台的价格可能要数10亿美元，而大型望远镜运行一晚的费用甚至高达5万美元。高昂的成本，让天文学家们进行观测的机会十分有限。对本书的一些推荐文稿中，经常有这样的一句话：艾米丽曾用过许多大型望远镜，总观测时长达50多个夜晚。作者毕业于世界顶级的天文专业，从业十余年，可总共进行过的观测时间加起来还不到两个月，可见其稀缺程度。
要想获得天文台上那些大家伙的使用权限，天文学家们要老老实实地向天文台提交观测计划，而天文台则会根据研究的重要性和时间紧迫程度等，来分配宝贵的观测时间。
如果幸运降临，被分配到一个观测夜晚，那么天文学家们就将开启一段充满挑战的观测旅途了。
现在，假设你就是这样一位天文学家，让我们来看看你会有怎样的经历。
首先，你要想办法前往天文台。毕竟天文台都建在荒郊野外，或者空气稀薄的高原地区，这些位置才能最大限度地避免光污染和大气带来的观测影响。正所谓无限风光在险峰，要去到这些地方，免不了长途跋涉、舟车劳顿。而且你还要不断祈求天气良好，希望你所预定的夜晚没有风、没有雨、没有雾、没有云。如果不幸碰上了坏天气，那抱歉了，你只能无功而返，重新提交下一次的申请。
如果你赶上了一个不错的夜晚，那么恭喜你，你有的忙了。第一步，你要制定一个观测计划表，详细地列出今晚要观察哪些天体，并注明具体坐标、观测时间和观测方法。然后，你需要一位专业的操作员进行配合。这位操作员掌握着望远镜的控制权，他们要负责操作望远镜，调控镜面和各种仪器。如果说天文学家是领航员，那么操作员是真正开车的司机。操作员会按照你提供的计划表，在天空中寻找目标，然后他们会控制望远镜指向目标所在的区域。当然，这个过程需要不时地进行微调，才能将镜头锁定在你要的天体上。
一旦确定了位置，操作员就会打开望远镜快门，开始曝光。对于这个过程，作者写出了一个浪漫的说法：那些光子可能在数百万年前从某个星系逃逸出来，一直在宇宙中横冲直撞，然后恰巧落在你的这台望远镜上，再变成一股数据，最终流进计算机里。
当第一个目标曝光完后，操作员就会将镜头转向到计划表上的下一个目标。就这样，一个目标接一个目标，整个观测过程进入到一种有条不紊的节奏之中。有天文学家将它概括为世界上最令人兴奋的机械工作。
可惜再浪漫的星空，也只能让你坚持到后半夜三点。在那之后，困倦会逐渐袭来，让你的头脑迟钝。按作者的话说，此时眨眼的速度变得像树懒一样缓慢，并且你会试图去寻找任何能平躺的表面。这时，几乎所有的天文学家都会给出相似的建议，那就是来一些歌曲。有些观测者会精心安排观测用的歌单，在夜晚的不同时间放不同类型的音乐。可以想见，这些歌单往往会以喧闹的重金属摇滚作为收尾。
直到太阳即将升起，这个观测之夜宣告结束，你才能放松下来，拖着疲惫的身体回到宿舍。
然而，这绝对不是观测的结束，真正的挑战才刚刚到来，那就是处理数据。
一般来说，你在观测中会得到两类数据，分别叫做成像数据和光谱数据。成像就是望远镜拍下来的夜空图像，从这些图像中，人们能获知各类星系形状或者天体的亮度等信息。而光谱数据就复杂一点，这类数据是一些细线，因为不同的元素所对应的细线会出现在光谱的不同位置，从这些数据中能分析出天体的化学组成。不管是成像还是光谱，你都需要投入大量的精力来对这些结果进行处理和分析。因为在观测时，望远镜所形成的信号中有着大量噪音，他们可能是来自附近的杂光，或者受到月光和大气的影响，甚至可能是相机信号接收器偶尔的噪点。总之，这些噪音如同厚厚的灰尘，将你想要的数据覆盖了。而你要做的，就如同考古学家对待刚出土的文物一般，仔细地清理掉表面的灰尘，才能露出真正的宝藏。
以上这些工作内容，只是天文学家们日常观测工作的一个缩影。为了获得来自夜空的更多信息，还要用上各种先进的天文观测技术。艾米丽本人有机会去往世界各地很多天文台，使用那里的大型设备。而这些天文设备各有各的特点，接下来的部分，我们就对艾米丽曾经使用或参观过的三类典型观测设备进行介绍，它们分别是光学望远镜、射电望远镜和引力波探测器。我们会谈一谈这些不同设备的特点，以及天文学家们分别用他们做了哪些研究工作。
天文台中最常见的大型设备，就是光学望远镜了。前面提到的成像数据和光谱数据，都可以通过光学望远镜来收集。一台光学望远镜最核心的能力就是它的集光力，也就是聚集光的能力，而集光粒直接跟望远镜镜片的口径有关，口径越大，集光力越强，观察的效果就越好。比如2017年，由十几个国家共同投资，在南美洲智利开始建设一台目前地球上最大的光学望远镜，其镜面直径就达到了惊人的39米。
在此，我们可以顺便了解一下艾米丽本人的科学贡献，因为她最重要的科研成果就是在光学望远镜上完成的。她的观测福地是位于智利的拉斯坎纳帕斯天文台，当时她使用了这里的一台麦哲伦望远镜，口径是6.5米。艾米丽在研究中特别关注一种天体，叫做索恩祖特阔夫天体，简称叫TZO。TZO是一种神奇的结合体，它的外壳是红超巨星，但在其内部则藏着一颗中子星。红超巨星是一类濒临死亡的大质量恒星，这些星体的质量是太阳的10~20倍，半径则是太阳的上百倍到上千倍。中子星也是恒星演化而成的，一般来说，中子星的质量跟太阳差不多，但它的半径却只有十到20千米，这使得中子星的密度相当惊人。有人估算过，一个拳头大小的中子星，质量要跟地球上的一座大山相当。无论是红超巨星还是中子星，都是很值得研究的星体，更别提这种二者结合在一起的TZO了。
TZO的概念早在1975年就被提出了，但几十年过去了，人们一直没有找到真正的TZO。艾米丽和她的同事很希望能在这个领域尝试一下，他们手头唯一的线索就是TZO表面可能有一些化学元素含量比较高。2011年9月，艾米丽来到智利，目标就是要寻找TZO。她为本次观测申请到了三个夜晚，因为TZO太过神秘，因此艾米丽对自己的这次探索并没有十足的信心，直到开始的前一天，她还在对观测计划进行调整。不过好在观测过程比较顺利，图像拍的很清晰。期间，艾米丽注意到一个临时加进来的目标星体在光谱信号中有一些不正常的信号，具体来说就是光谱应该是黑色间隙的区域出现了一些白色亮点，这意味着那个星体的大气层中有一些特殊的元素。只不过当时艾米丽没时间详细分析。
这次观测结束后，艾米丽花了一年多的时间来详细处理那三个夜晚采集到的数据，而她当时注意到的那个奇怪星体确实带来了意想不到的收获。具体来说，当时那些奇怪的信号代表着这个星体的锂、如木等元素的含量远远高于其他恒星，而这些正好契合的理论中TZO的特征。于是这颗名叫HV 2112的恒星成为了有史以来最有希望的TZO候选者，艾米丽也成功收集了关于这类星体运行机制的第一手数据。
除了光学望远镜，艾米丽还使用过射电望远镜。射电望远镜并没有传统意义上的那种镜头，它就像一个白色金属网做成的超大镂空锅盖，也有点儿像那种卫星电视信号接收器的放大版。而所谓射电是一种无线电信号，地球大气层会把来自宇宙中的无线电信号吸收掉，大部分能穿过大气层来到地面的就叫做射电波。我国有一台500米口径的射电望远镜，它就是著名的中国天眼。在科幻小说《三体》中，接收到外星人信号的装置正是射电望远镜。
借由射电望远镜，天文学家们能研究的对象有很多，比如可以用来观测星体的磁场，寻找那些不断发射电磁脉冲的脉冲星，还可以用来探测宇宙背景辐射等等。2017年，通过让遍布世界各地的八台射电望远镜相互配合，人们成功观测到了距离地球5000多万光年之外的星系，并拍摄下了有史以来的第一张黑洞照片。这项成果一经发布，瞬间就成了各大媒体的头条新闻。
艾米丽就曾去过美国国家射电天文台，并使用这里的射电望远镜来研究红超巨星的一些奇特现象。在这里，有一个由27台射电望远镜组成的甚大天线阵，其中每一台望远镜的高度都将近30米，重量超过200吨。
当然，射电望远镜跟光学望远镜还有很多区别，最典型的就是射电望远镜在白天也能工作，而且它比较皮实，不怕风吹雨淋日晒，唯一担忧的就是积雪，因为雪太多的话可能会压弯天线。不过对于积雪，各地的天文台也各有妙招。作者说，有一个天文台曾经考虑用飞机的喷气发动机吹出高温气流，来吹走射电望远镜上的积雪。
不过射电望远镜使用起来也有一些注意事项，那就是需要周围的无线电波干扰尽量小，因此有些装配射电望远镜的天文台，在其周围的居民是不能使用手机、无线网和微波炉的。
除了光学和射电望远镜，作者还在书里介绍了引力波天文台。引力波天文台顾名思义就是为了探测引力波的。爱因斯坦在1916年就预言了引力波的存在，广义相对论指出，当宇宙中发生一些巨变，比如大质量天体并合时，就会对周围的时空造成剧烈扰动，而这种扰动会以波动的形式向外传播，这就是引力波。但引力波极其微弱，为了探测到这微弱的信号，人们建造了引力波天文台。
作者曾有幸参观过位于美国的著名激光干涉引力波天文台。这个天文台其实有两台设备，每台设备都是一个L型的巨大建筑，L的两条边每条长度将近4千米，其外表是厚厚的混凝土，而内部则是直径1.2米的真空钢管。奇特的是，这两个设备并没有放在一起，而是分别位于美国的西北部和东南部，二者相距3000 km。之所以隔着这么远，是因为引力波探测器要观测的信号太过微弱，为了排除噪音或误判的影响，需要两个探测器同时检测出相同的信号才算数。
除了书中介绍的这个位于美国的引力波天文台，在意大利也有一座类似的设备，叫做室女座干涉仪，同样用于搜索引力波信号。借助这样宏大的设计，引力波天文台能够探测到比质子小几千倍的微扰信号。当然，这么高的精度肯定也会饱受噪音的困扰，飞机的声音、汽车发动机的震动，甚至下雨声都会造成干扰。最离谱的一次，天文台曾收到过一串奇怪的信号，一直找不到来源。随后人们展开了地毯式的大搜查，结果发现是有乌鸦在主冷却管道上的冰造成了这种扰动。后来天文台特意改造了管道的设计，解决了表面结冰的问题。
整个探测引力波的团队由多个国家的数千人组成，经过不断的优化、设计和尝试，这支巨大的科研队伍终于取得了突破。在2016年，科学家们宣布他们探测到了引力波的信号。紧接着，2017年的诺贝尔物理学奖就颁发给了对探测引力波作出重大贡献的三位学者。
介绍完了天文学家们的日常工作和各类大型观测设备，下面我们就来聊聊本书中很有趣的一部分内容，那就是天文学家们在实际工作中会遇到的各种困难。
天文台大多建在偏远地区，而且大型望远镜操作起来十分复杂，因此天文学家们的观星之旅往往会出现各种状况，有些听起来甚至是匪夷所思。本文的副标题中，作者使用了“天文探险者”这一称呼，其实就是想表达天文学家们要面临的诸多困难。这些困难和挑战可以分为三类，分别是自然因素、野生动物和人为因素。
首先就是自然因素，这也是最常见的挑战之一。天文台虽然是人类先进科技的代表，但他们往往都是建立在荒郊野外，难免要经受残酷自然条件的考验。比如大风、暴雪和雷击都是致命的威胁。狂风吹坏了镜头，大雪压垮了建筑，甚至闪电直接劈到工作人员，这些事件都会对天文学家的工作造成严重威胁。更糟糕的自然威胁则是山火和地震。为了降低水汽的影响，很多天文台会建在气候干燥的地区，这些地方也是山火的高发区。2003年，澳大利亚堪培拉地区发生严重火灾，直接烧毁了当地天文台的五架望远镜。而作者本人则经历过地震的考验。2006年，作者还在夏威夷大学求学的时候，正准备去当地的天文台进行观测，结果遇上了一场6.7级的地震，震中就是天文台的所在地。当时本地的电力和通讯全部中断，作者躲在临时的避难所中，心里的念头却是想着当天还能否进行观测，因为这是她全年分配到的唯一观测机会。
还有更极端的自然现象。1980年，一位叫道格的学者在天文台观测时，附近发生了大规模的火山喷发。但面对如此天灾，这位学者表现出了极高的科学素养，她冷静地撰写了一则观察日志。所谓的观察日志，就是学者们在每次观测后所写的记录，需要注明观察时间、天气状况等。当天道格记录的内容是：观察损失时间六小时，原因：火山喷发、天空状况又黑又臭。
除了自然威胁，天文学家们还面临着一类困扰，来自野生动物。天文学家之间经常会流传一些在天文台工作时被动物攻击的故事，比如大蜘蛛爬进了裤腿儿，甚至还有人遭到野熊的袭击。而对于望远镜本身来说，动物们也会带来很多麻烦。比如美国加州的一台望远镜发生过数据丢失，在后来的研究报告中写到的原因是：一条红色油蛇爬上了天文台的电线。再有，射电望远镜就特别害怕小鸟，因为鸟粪落在天线上，会干扰电信号。为了驱赶鸟类，各个天文台也是八仙过海，各显神通。有的会在望远镜上覆盖一层保护网，也有的会用声波驱赶鸟类。而英国的一座天文台则报道了一种以毒攻毒的手段，有一对野生游隼在望远镜的支撑塔上落了窝，有了这种猛禽安家，其他的小鸟们再也不敢靠近半步了。
当然，人为干扰因素也会对天文学家的观测产生重大影响。在使用望远镜时，出现操作失误是家常便饭，比如弄坏的镜头、搞坏了设备，不小心引发小型火灾，这些状态特别普遍。此外，还有一些更严重的事故，甚至能登上新闻报道的那种。艾米丽在书中就记载了两个。第一次发生在1970年，美国的德克萨斯州，受害者是麦克唐纳天文台。没错，受害者是一个天文台，准确说是这家天文台的107英寸，约合2.7米口径的望远镜。一名天文台的员工醉酒之后忽然情绪失控，一心想要杀死这台望远镜。这个醉汉用枪指着操作员，让其把望远镜的镜面降下来，然后对着镜面连开了七枪。还好这个镜面材质比较好，子弹打在上面只留下了一些小洞。这个事件立刻传遍了天文学界，有些人还十分惋惜，毕竟这台望远镜才服役了一年的时间。不过好消息是，子弹虽然留下了小孔，但是望远镜仍然能工作，只是它的集光能力损失了1%左右。于是有人半开玩笑地说，这次枪击让这台望远镜从107英寸级别降为了106英寸。这当然是不幸中的万幸。
而另一个事件则令人无比惋惜。美国有一座绿岸天文台，里面有一台300英尺将近100米口径的射电望远镜，它有20多层楼高，重600吨。然而在1988年的11月16日，这架望远镜瞬间坍塌，变成了一堆残骸。有人形容像是一个散了架的货船。人们在震惊之余立刻开始调查，发现这一切的源头是支撑结构中一个叫做角撑板的部件失效了。人们在设计这一结构时并没有进行全面的考量，才最终造成了这场事故。
所以，对于大型天文设备，任何一点小的失误，都可能造成无法弥补的损失。
当然，无论是自然威胁、动物干扰，还是这些人为因素，天文学家们都在尽力寻找应对之策。科学家和工程师们也研发出一代又一代新的技术手段，来帮助人类探索浩渺星空。天文设备的发展也日新月异，更多更大口径的望远镜正在指向那遥远的太空。
在最后，我们也尝试解读一下书名中“最后的”这一词语的含义。早期的天文观测中，天文学家要奔赴位于荒郊野岭的天文台，随时面临各种风险，在望远镜旁度过一个个漫长的黑夜，才能得到心仪的天文照片，整个过程可以称得上是一场冒险。现如今科技进步了，有了基于网络的远程观测技术，新一代的学者只要在家里的沙发上，对着自己的电脑输入一些指令，就能操控千里之外的巨大设备观测星空。于是传统的观星方式消失了，作者使用“最后的观星人”这样一种表达，也许是想纪念那些伫立于望远镜旁的天文学家们，以及他们所代表的探索精神。正是在这种精神的鼓舞下，从捕捉引力波到给黑洞拍照，近些年来，人类取得了越来越多天文学的突破，这些也都离不开先进设备的创新和天文学家们的付出。
你对哪些天文发现的印象深刻呢？欢迎在评论区留言讨论。
从成长历程到工作内容，作者在书中向我们揭开了天文学家这一群体的神秘面纱。宇宙浩瀚，地球渺小，尽管困难重重，但总有人在仰望夜空、追寻星光。
好，《最后的观星人》这本书就为你解读到这儿。听书笔记在音频下方，我们下期见。
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